CN110767530A - 一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，包括：(1)GaAs衬底减薄；(2)GaAs衬底表面刮片：将晶片背面朝上放置在平整的台面上，刮除GaAs衬底表面较大的颗粒；(3)GaAs衬底表面物理处理：使用粘性膜贴附在GaAs衬底表面上，对GaAs衬底表面上的残渣碎屑进行粘附。(4)GaAs衬底表面化学腐蚀：将晶片放置在氨水、双氧水的混合溶液中进行加热超声腐蚀，腐蚀完成后依次进行冲水、干燥；(5)N电极制作、管芯切割：在晶片的GaAs衬底表面上制作N电极，并将管芯切割。本发明在不对晶片造成影响的条件下，彻底快速有效的去除了背面残渣碎屑，提高后续N电极制作的粘附性。

Description

一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法

技术领域

本发明涉及一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，属于半导体器件加工技术领域。

背景技术

目前制作半导体发光二极管的衬底材料主要有以下几种：蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、AlN、ZnO等。

蓝宝石衬底主要应用于蓝光GaN基材料的外延层生长，蓝宝石衬底有许多优点，其一蓝宝石的稳定性能优良，能够运用在高温生长过程中而不会对衬底本身产生较大破坏，其二蓝宝石的机械性能强度较高，非常方便表面的处理和清洗等，其三蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好。但是同时使用蓝宝石衬底也存在一些问题，比如衬底材料内部的晶格失配和热应力失配，这样会使地外延层生长过程中产生较大量的缺陷，而且同时会给之后的管芯生产工艺带来诸如电压过高、出光效率较低等方面的问题。另外使用蓝宝石作为衬底，它的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅仅低于金刚石，这样会对后续加工的减薄厚度方面对设备和工艺有较为严格的要求，无疑会增加大量的生产成本。而且，蓝宝石衬底的导热性能也不是很好，作为蓝宝石制作的发光二极管，在使用时会有较大的热量传导出，对于管芯尺寸较大的大功率半导体器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。

对于硅衬底目前在反极性产品中作为置换衬底应用较为广泛，硅衬底的管芯电极可以选用两种接触方式，一种是L接触(LAterial-contact，水平接触)方式，一种是V接触(Vertical-contact，垂直接触)方式，简称为L型电极和V型电极，正是因为这两种接触方式，使用硅衬底制作半导体器件电流在管芯内部可以横向流动也可以纵向流动。而电流的纵向流动，这大大增加了LED的发光面积，而直接提高了发光二极管的出光效率，且大大提高了硅的导热性能，能够大大提高半导体器件的使用寿命。碳化硅衬底的LED管芯电极是一种L型的电极，如上所述电流为纵向流动，采用该衬底制作的发光二极管导电和导热(碳化硅衬底的导热性能比蓝宝石衬底的导热性能一般要高出10倍以上)性能无疑是较好的，而适用于较尺寸的大功率发光二极管的制作。

砷化镓衬底目前主要应用在红黄橙光的发光二极管的制作中，砷化镓属于Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体，它拥有比硅还要好的电子特性，它在高频是产生的噪音较少，砷化镓同时是直接能隙的材料，具有良好的发光特性。不管是何种衬底，制作LED管芯过程中对衬底进行减薄是必不可少的(后续切割管芯需要)，但是砷化镓衬底因为本身材质因素，在常规减薄过程中会在GaAs衬底表面产生大量的较小尺寸的碎屑，该种碎屑在常规清洗方法中很难清洗(且减薄后晶片总厚度一般在50-200μm之间，较薄清洗过度极易产生裂片、碎片损失)，但是GaAs基LED的N面电极的制作必须在减薄衬底面完成，所以生产中必须尽量减少该种减薄后残渣碎屑的产生。

通常为解决上述问题，一是直接使用精度更加高的CMP进行进一步研磨，另外一种直接使用化学腐蚀液进行化学抛光，但是，使用CMP不仅仅增加了设备成本更对整个生产成本由较大幅度的增加，而使用化学抛光因为溶液的腐蚀速率在整个表面的差异性使得整个表面平整度相差较大，整个晶片会有较大差异的翘曲度，对后续切割质量产生较大影响。

中国专利文献CN102543665A提出了一种砷化镓衬底改进的快速减薄方法，该方法基于在砷化镓衬底通过化学试剂进行砷化镓外延晶片的粘附，同时采用真空加压方法进行固定，再使用多层叠加结构来缓冲减薄时带来的损伤和减小尺寸失真，采用独特材质的软陶瓷研磨盘来实现高速精确的背面减薄，再配合使用混合氧化铝研磨液，达到小于60μm的厚度。在研磨以后，使用纳米抛光液进行CMP设备进行抛光处理。达到衬底厚度小于50μm，粗糙度Ra小于1nm的高镜面效果。此发明方法经过减薄后衬底不龟裂，不卷曲，无划伤等效果。该方法可以较为有效的对GaAs衬底减薄后的较小颗粒进行去除，如果在该面制作金属电极可以达到有效粘附，但是，该方法必须使用CMP进行处理，且制作过程中引入了蓝宝石衬底，整个制作过程操作极其繁琐且生产成本高昂，不适于大规模制作。

国外专利文献US2007/0054115 A1提出了一种半导体晶片表面颗粒处理的方法，主要使用粘性膜直接在表面进行粘附将其去除，但是在实际制作过程中，常规方法处理后残留颗粒大小从几个微米到一百多微米不等(对于更大的颗粒一般通过常规方法都能去除，不再赘述)，尤其对于较大的颗粒和晶片表面之间粘附较为牢固，由于粘性膜本身性质，对于这种在一百微米左右的颗粒较难去除。

鉴于此，有必要研究一种GaAs衬底减薄后能够较为有效的去除表面碎屑使之与该面金属能够更好的产生粘附，且生产过程简单，制作成本较低的工艺方法。

发明内容

针对现有GaAs衬底减薄后衬底表面残渣碎屑较多的情况，本发明提出一种能够较为有效且过程简单，又不对衬底表面产生负面影响且能够增加后续金属制作粘附性的GaAs基LED晶片衬底减薄后制作方法。

本发明的技术方案为：

一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，所述GaAs基LED晶片包括由下自上如下依次生长的GaAs衬底、外延层、P电极，包括步骤如下：

(1)所述GaAs衬底减薄：使用GaAs衬底LED晶片表面生长外延层后，在外延层上制作P面电极，将所述GaAs衬底减薄至30-200μm；

(2)所述GaAs衬底表面刮片：将步骤(1)制作完成的晶片，背面朝上放置在平整的台面上，刮除所述GaAs衬底表面较大的颗粒，操作时刀片与晶片表面呈现合适的角度。所述台面的温度为40-90℃；该温度为不对晶片结构和粘性膜造成破坏又能够增强粘性膜粘性且能够增加晶片表面活性，能够较好的去除表面颗粒。

(3)所述GaAs衬底表面物理处理：将步骤(2)制作完成的晶片，背面朝上放置在平整的台面上(台面具有加热功能，加热温度控制在40-90℃)，使用粘性膜贴附在所述GaAs衬底表面上，对所述GaAs衬底表面上的残渣碎屑进行粘附；粘性膜以不对晶片造成损伤为准，是指在粘附过程中所用粘性膜粘性程度的控制，不会对减薄后晶片造成较多裂片、碎片。

进一步优选的，所述粘性膜的剥离强度为100-500g/25mm；

进一步优选的，粘附1-3次，每次使用新的粘性膜；

(4)所述GaAs衬底表面化学腐蚀：将步骤(3)制作完成的晶片放置在氨水、双氧水的混合溶液中进行加热超声腐蚀，腐蚀完成后依次进行冲水、干燥；

(5)N电极制作、管芯切割：在步骤(4)中制作完成的晶片的所述GaAs衬底表面上制作N电极，并将管芯切割，完成整个管芯制作。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，使用刀片刮除所述GaAs衬底表面较大的颗粒。

进一步优选的，所述刀片与所述GaAs衬底表面的角度为30-60°。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，氨水、双氧水的混合溶液中，氨水、双氧水与水的体积比为1:1:1—1:5:10，氨水的浓度为20％-30％，双氧水的浓度为25％-35％。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，将所述GaAs衬底减薄至100-180μm。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，加热温度为50-60℃，超声频率为5-10KHz，腐蚀时间为30-60″。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，冲水是指：用去离子水喷淋、下给水(溢流)的方式进行清洗。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，干燥是指：使用40-80℃的加热氮气吹干，施加加热氮气的时间为2-10min。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，加热氮气的纯度不小于99.999％，加热氮气的压力为0.1-0.3MPa。

以保证氮气的纯净和使用安全。进一步优选的，所述加热氮气是5N氮气。

根据本发明优选的，所述步骤(5)中，所述N电极的材质为金属；如Al、Ti、Pt等；

进一步优选的，所述N电极的材质为Ni或Au。

本发明的有益效果为：

1、在衬底减薄后会有大量不同大小的GaAs残渣颗粒残留在衬底背面，常规的清洗方法较难将这些碎屑去掉，这时如果直接在背面进行N面金属电极制作，金属与衬底面之间因为较多颗粒的存在，电极粘附性较差，严重者会很大比例的掉N面电极金属。本发明步骤(2)、(3)中，首先使用刀片刮除晶片表面的较大和粘附性较强的颗粒，然后利用粘性膜对加热的衬底面进行粘附处理，在衬底保持一定温度下表面颗粒活性较大，且粘性膜粘性较强，能够将大部分的残渣碎屑粘附掉，剩余的少量碎屑对后续化学腐蚀的均匀性无较大影响，从而使用后续金属电极的生长提供了较好的条件。

2、本发明步骤(4)中，氨水与双氧水的比例以及温度和超声频率的选择之间的参数搭配上尤为重要，该配比参数能够比较有效的进行GaAs衬底的快速均匀腐蚀，又能够有效的控制其腐蚀速率，且不对P面电极造成损伤，能够较快的在背面腐蚀形成一个新的界面，彻底去掉背面残渣碎屑。

3、本发明步骤(4)中，本发明中使用物理粘附配合化学腐蚀，在不对晶片造成影响的条件下，彻底快速有效的去除了背面残渣碎屑，提高后续N面电极制作的粘附性，且成本及其低廉，适用于大规模的生产。

附图说明

图1是本发明中GaAs基LED衬底晶片上面生长有外延层和P电极的示意图；

图2是本发明中GaAs基LED衬底晶片上面生长有外延层、P电极和N电极的示意图；

图3是本发明中使用粘性膜粘附衬底面后的粘性膜上的颗粒显微图片示意图。

1、GaAs衬底，2、外延层，3、P电极，4、N电极。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，GaAs基LED晶片包括由下自上如下依次生长的GaAs衬底1、外延层2、P电极3，如图1所示，本实施例使用2英寸晶片通过不同制作方法制作红光5.0mil尺寸管芯，来对N面金属的粘附性进行进一步对比，包括步骤如下：

(1)GaAs衬底1减薄：使用GaAs衬底1LED晶片表面生长外延层2后，在外延层2上制作P电极3，将GaAs衬底1减薄至100μm；

(2)GaAs衬底1表面刮片：将步骤(1)制作完成的晶片，背面朝上放置在平整的台面上，使用刀片刮除GaAs衬底1表面较大的颗粒，操作时刀片与GaAs衬底1表面的角度为30-60°。台面的温度为40-90℃；该温度为不对晶片结构和粘性膜造成破坏又能够增强粘性膜粘性且能够增加晶片表面活性，能够较好的去除表面颗粒。

(3)GaAs衬底1表面物理处理：将步骤(2)制作完成的晶片，背面朝上放置在平整的台面上(台面具有加热功能，加热温度控制在40-90℃)，使用粘性膜贴附在GaAs衬底1表面上，对GaAs衬底1表面上的残渣碎屑进行粘附；粘性膜以不对晶片造成损伤为准，是指在粘附过程中所用粘性膜粘性程度的控制，不会对减薄后晶片造成较多裂片、碎片。粘性膜的剥离强度为300g/25mm；粘附1次，每次使用新的粘性膜；使用粘性膜粘附衬底面后的粘性膜上的颗粒显微图片如图3所示。

(4)GaAs衬底1表面化学腐蚀：将步骤(3)制作完成的晶片放置在氨水、双氧水的混合溶液中进行加热超声腐蚀，加热氮气是5N氮气，加热氮气的纯度不小于99.999％，加热氮气的压力为0.2MPa，加热温度为50℃，超声频率为5KHz，腐蚀时间为30″，腐蚀完成后依次进行冲水、干燥；氨水、双氧水的混合溶液中，氨水、双氧水与水的体积比为1:1:1，氨水的浓度为20％，双氧水的浓度为25％。冲水是指：用去离子水喷淋、下给水(溢流)的方式进行清洗。干燥是指：使用70℃的加热氮气吹干，施加加热氮气的时间为5min。

(5)N电极4制作、管芯切割：在步骤(4)中制作完成的晶片的GaAs衬底1表面上制作N电极，N电极的材质为Ni或Au，并将管芯切割，完成整个管芯制作，如图2所示。

实施例2

根据实施例1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其区别在于，步骤(1)中，将GaAs衬底1减薄至180μm；

步骤(3)中，粘附2次；

步骤(4)中，加热温度为60℃；腐蚀时间为60″，超声频率为10KHz。

对比例1

根据实施例1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其区别在于：不进行GaAs衬底1表面物理处理。

对比例2

根据实施例1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其区别在于：不进行GaAs衬底1表面化学腐蚀。

对比例3

根据实施例1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其区别在于：将腐蚀时间增加到300″。

对比例4

根据实施例1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其区别在于：使用粘性膜粘附时，GaAs衬底1不进行加热。

对比例5

根据实施例1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其区别在于：不进行步骤(2)的刀片刮除。

实施例1-2及对比例1-5的一些实验数据如表1所示：

表1

	N电极掉金属比例	GaAs衬底化学腐蚀厚度
			实施例1	0.00％	4-5μm
实施例2	0.00％	9-10μm
			对比例1	12.52％	1-7μm
对比例2	0.95％	0μm
			对比例3	0.00％	衬底完全腐蚀
对比例4	3.52％	4-5μm
			对比例5	1.21％	4-5μm

由表1可知，经过上述实施例1、实施例2方法制作后的GaAs基LED管芯，N电极4金属粘附性较好，未出现N面金属掉的现象，且经过化学腐蚀后衬底面较为平整，达到了工艺生产需要；对比例1未经过粘性膜粘附有较多颗粒，掉进率较严重，且因为颗粒的存在腐蚀衬底不均匀，表面平整度较差；对比例2未经过化学腐蚀表面存在少许合理存在轻微掉金属现象；对比例3腐蚀时间较长整个GaAs衬底1被腐蚀掉，晶片损坏；对比例4不经过加热衬底，表面颗粒残留较多，仍然存在较大的掉金属比例；对比例5不经过刮片工步，表面存在个别较大的颗粒，N面金属掉的现象仍然存在。

Claims (10)

1.一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述GaAs基LED晶片包括由下自上如下依次生长的GaAs衬底、外延层、P电极，包括步骤如下：

(1)所述GaAs衬底减薄：将所述GaAs衬底减薄至30-200μm；

(2)所述GaAs衬底表面刮片：将步骤(1)制作完成的晶片，背面朝上放置在平整的台面上，刮除所述GaAs衬底表面颗粒，所述台面的温度为40-90℃；

(3)所述GaAs衬底表面物理处理：将步骤(2)制作完成的晶片，背面朝上放置在平整的台面上，使用粘性膜贴附在所述GaAs衬底表面上，对所述GaAs衬底表面上的残渣碎屑进行粘附；

(4)所述GaAs衬底表面化学腐蚀：将步骤(3)制作完成的晶片放置在氨水、双氧水的混合溶液中进行加热超声腐蚀，腐蚀完成后依次进行冲水、干燥；

(5)N电极制作、管芯切割：在步骤(4)中制作完成的晶片的所述GaAs衬底表面上制作N电极，并将管芯切割，完成整个管芯制作；

进一步优选的，所述步骤(3)中，粘附1-3次，每次使用新的粘性膜。

2.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述粘性膜的剥离强度为100-500g/25mm。

3.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，使用刀片刮除所述GaAs衬底表面的颗粒；

进一步优选的，所述刀片与所述GaAs衬底表面的角度为30-60°。

4.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，氨水、双氧水的混合溶液中，氨水、双氧水与水的体积比为1:1:1—1:5:10，氨水的浓度为20％-30％，双氧水的浓度为25％-35％。

5.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将所述GaAs衬底减薄至100-180μm。

6.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，加热温度为50-60℃，超声频率为5-10KHz，腐蚀时间为30-60″。

7.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，冲水是指：用去离子水喷淋、下给水的方式进行清洗。

8.根据权利要求1所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，干燥是指：使用40-80℃的加热氮气吹干，施加加热氮气的时间为2-10min。

9.根据权利要求8所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，加热氮气的纯度不小于99.999％，加热氮气的压力为0.1-0.3MPa；进一步优选的，所述加热氮气是5N氮气。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种提高减薄后的GaAs基LED晶片衬底与金属粘附性的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述N电极的材质为金属；进一步优选的，所述N电极的材质为Ni或Au。

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